課程設(shè)計（論文）基于西門子PLC密碼鎖電氣控制系統(tǒng)的研究

1、基于西門子plc密碼鎖電氣控制系統(tǒng)的研究目 錄前言1第一章 緒論21.1密碼鎖的發(fā)展2第二章 密碼鎖的硬件設(shè)計42.1 s7200plc的系統(tǒng)組成42.2 控制要求52.3 plc的選型52.4 i/o口分配表6 2.5 plc外部接線圖8第三章 密碼鎖的軟件設(shè)計93.1梯形圖93.2程序分析163.3 程序設(shè)計的局限性和優(yōu)點(diǎn)17小 結(jié)18致謝19【參考文獻(xiàn)】19基于西門子plc密碼鎖電氣控制系統(tǒng)的研究【摘要】 本設(shè)計是采用西門子plc來設(shè)計密碼程序的，程序中應(yīng)用到了近20 個計數(shù)器。設(shè)計的密碼鎖外觀圖類似于銀行取款機(jī)臺上的鍵盤。給人感覺就和那種輸入密碼的過程一樣。其實(shí)不然，本設(shè)計中采用了計數(shù)

2、器控制的特點(diǎn)，每個計數(shù)器的次數(shù)設(shè)定為幾次那么所對應(yīng)的按鍵就要按幾次。本設(shè)計分為開鎖環(huán)節(jié)和解鎖環(huán)節(jié)，開鎖環(huán)節(jié)設(shè)定六個按鍵有效，解鎖環(huán)節(jié)設(shè)定了七個按鍵有效，這樣一來設(shè)定的開鎖密碼位數(shù)就大于等于六位了，解鎖密碼位數(shù)就大于等于七位。要看計數(shù)器設(shè)定的次數(shù)而定。如果密碼鎖報警的話必須先輸入解鎖密碼，后輸入開鎖密碼方能開鎖?！娟P(guān)鍵詞】 密碼鎖 可編程序控制器 梯形圖前 言plc具有控制能力強(qiáng)、可靠性高、使用靈活方便和易于編程、擴(kuò)張、通信等一系列優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今及今后工業(yè)控制的主要手段和控制核心，因此plc技術(shù)、數(shù)控計數(shù)、計算機(jī)輔助設(shè)計、計算機(jī)輔助生產(chǎn)以及機(jī)器人技術(shù)、已并列為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動化的四大支柱。西門子是

3、中國多個業(yè)務(wù)領(lǐng)域的領(lǐng)先工業(yè)解決方案供應(yīng)商，在制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化、運(yùn)動控制、驅(qū)動、低壓控制以及電氣安裝技術(shù)方面提供了各類創(chuàng)新、可靠、高效和優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。并全面提供系統(tǒng)的解決方案和服務(wù)，產(chǎn)品涵蓋范圍廣，在信息、通信、自動化與控制、電力、交通醫(yī)療、照明等各個行業(yè)領(lǐng)域處于優(yōu)勢。本設(shè)計以德國西門子公司的s7200系列為主，主要介紹了plc的產(chǎn)生定義及分類，具體介紹了s7200系列的組成、性能特點(diǎn)及基本功能，主要性能指標(biāo)和輸入輸出系統(tǒng)，通過s7200 cpu226型plc介紹了本設(shè)計的全過程，從而實(shí)現(xiàn)了密碼鎖的plc控制。第一章 緒論1.1密碼鎖的發(fā)展隨著人們生活水平的提高，如何實(shí)現(xiàn)家庭放到這一問

4、題也變得尤其的突出，傳統(tǒng)的機(jī)械鎖由于其結(jié)構(gòu)的簡單，被撬的事件屢見不鮮，同時，季節(jié)所一般配有金屬鑰匙，帶起來太重，萬一弄丟了，所可能就沒用了。電子鎖保密性高，密碼泄露了，換個密碼，鎖照樣能用；使用靈活性好，安全系數(shù)高，能夠防止不法分子多次試探密碼；性價比好，因此，密碼鎖受到了廣大用戶的青睞。出于安全、方便等方面的需要，許多智能鎖（如指紋辨識、ic卡辨識）已相繼問世，但這些產(chǎn)品的特點(diǎn)是針對特定指紋或有效卡，只能使用與保密要求高且僅供個別人使用的箱、柜。房間等，而且卡片式ic卡還有易丟失等特點(diǎn)，加上成本比較高，一定程度上限制了這類產(chǎn)品的普及和推廣。遠(yuǎn)古時代，鎖最初的樣式只是用于捆綁物品的繩子和繩結(jié)，

5、以表示主人對物品的占有。在古希臘著名的傳說里，馬其頓過往的王子亞歷山大侵入阿拉伯半島，占領(lǐng)了格爾迪奧恩。在承德街道中心有的神殿中擺放有一輛古老的戰(zhàn)車，戰(zhàn)車上市著名的“格爾迪奧斯繩結(jié)”，根據(jù)傳說解開繩結(jié)的人就是亞洲的統(tǒng)治者。亞歷山大都無法解開它。左后，他拔出了寶劍，用亞歷山大的方式，一劍將繩結(jié)砍成兩斷。不過鎖具的發(fā)源，卻并不是從亞歷山大的王國開始。世界各國的專家們普遍認(rèn)為鎖具的發(fā)源中心有兩個：一個是兩河流域及埃及，最后傳到希臘、羅馬甚至整個西歐，直至英倫三島，再到美國；另外一個中心就是中國，北上傳入朝鮮，東上傳入日本，南下傳入越南等地。這一切變化，都發(fā)生在人類有了房間和房門以后。最初限定房門的只

6、是粗陋的木栓它逐漸演變成額更為結(jié)實(shí)的金屬鎖，為了能把它們插在鎖里固定住，機(jī)構(gòu)中便使用了發(fā)條和簧片這些裝置的結(jié)構(gòu)位置加以改變，各種制式的鎖具便誕生了出來，為了打開它們，我們需要特定的鑰匙。早期的各種機(jī)械鎖定裝置是基于各種力學(xué)原理的基本之上創(chuàng)造出來的。鑰匙的功能就是使鎖內(nèi)的鎖定機(jī)構(gòu)發(fā)生相應(yīng)的變動，在開鎖（解碼）的過程中，只有當(dāng)鑰匙編碼和鎖編碼經(jīng)機(jī)構(gòu)內(nèi)鑒別確認(rèn)一致匹配時，才能通過傳動機(jī)件是鎖栓、鎖舌動作，釋放鎖扣，順利解碼。機(jī)械鎖具的安全性能，依靠兩條機(jī)械原理，一是依靠鎖內(nèi)的障礙物，阻止假鑰匙進(jìn)入旋轉(zhuǎn)，第二則利用一個或多個可移動的限位物，安裝在鎖內(nèi)，由鑰匙決定它是否在之前預(yù)定開啟的位置，其數(shù)量越多，

7、安全系數(shù)也相應(yīng)提高。電子鎖是采取電子電路控制，以電磁鐵或者衛(wèi)星電機(jī)和鎖體作為執(zhí)行裝置的機(jī)電一體化鎖具，相比傳統(tǒng)的機(jī)械鎖具，電子鎖不適用金屬鑰匙，保密性、精度都有很大提高。電子所得發(fā)明思路，源自古代發(fā)明的自動機(jī)械，例如古希臘數(shù)學(xué)家赫倫的液壓自動門，中國古代諸葛亮的木牛流馬，它們以 重力或蒸汽壓力驅(qū)動，最廣泛的用途乃是用在古代木道德地下機(jī)關(guān)。電子工業(yè)的誕生，使得一微小電量驅(qū)動機(jī)械成為可能，于是有了電子鎖一日潛力的躍進(jìn)。據(jù)有關(guān)資料介紹，電子鎖得研究從30年代就開始了，在某些特殊場所早就有所應(yīng)用。研究這種鎖的初衷，是提高鎖的安全性，因?yàn)殡娮渔i的密碼鑰量（密碼量）極大，可以和機(jī)械所配合，避免因鑰匙被仿制

8、而出現(xiàn)的問題。在安全性極高的前提下，他的另一個特點(diǎn)無需鑰匙卻被越來越多的人 所欣賞。因?yàn)槿藗償y帶的要是很多已經(jīng)成為累贅，而電子鎖只需要記住一組密碼，無需攜帶金屬鑰匙，免除了人們的煩惱，電子所得種類繁多，從大的方面講可能有數(shù)十種，例如數(shù)碼鎖、指紋鎖、卡片鎖、磁卡鎖、生物鎖等等。但是能談的上實(shí)用一些或者大眾化一些的還是按鍵式電子密碼鎖，這是一種操作方式類似于銀行取款機(jī)式的電子鎖，通過鍵盤上的數(shù)碼按鍵依次輸入一組密碼，如果密碼與內(nèi)部已約定的密碼相同，則輸出一個電信號，以驅(qū)動電磁鐵或者小馬達(dá)將門閂打開，完成一個開鎖過程。進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，隨著電子鎖專用集成電路的出現(xiàn)，電子所得體積縮小，可靠性提高

9、，廉價產(chǎn)品開始出現(xiàn)。實(shí)用性已經(jīng)具備，可以說已經(jīng)有了沖擊機(jī)械所市場的條件。第二章 密碼鎖的硬件設(shè)計2.1 s7200plc的系統(tǒng)組成一s7200 的系統(tǒng)基本構(gòu)成s7200是西門子公司前幾年投入市場的小型可變程序控制器，可以單機(jī)控制，也可以進(jìn)行輸入|輸出和功能塊的擴(kuò)展。s7200屬于整體式結(jié)構(gòu)，它價格低廉，結(jié)構(gòu)小巧，可靠性高，運(yùn)行速度快，有極豐富的指令集，具有強(qiáng)大的多種集成功能和實(shí)時特性，具有很高的性能價格比。根據(jù)控制規(guī)模的大小（即輸入|輸出點(diǎn)數(shù)的多少），可以選擇相應(yīng)的cpu主機(jī)。除了cpu221以外，其他cpu主機(jī)均可進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)張，在規(guī)模不太大的控制領(lǐng)域是較為理想的控制設(shè)備。同其他的plc一樣，

10、s7 200的系統(tǒng)基本組成也是由主機(jī)單元加編程器組成。在需要進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展時，系統(tǒng)組成中還可以包括：數(shù)字量擴(kuò)展單元模塊、模塊量擴(kuò)展單元模塊、通信模塊、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、人機(jī)界面（hmi）等。二、主機(jī)單元s7200的主機(jī)單元的cpu共有兩個系列：cpu21x及cpu22x。cpu21x系列包括cpu212，cpu214，cpu215，cpu216，cpu22x系列包括cpu222，cpu224，cpu226，cpu226xm。由于cpu21x系列屬于s7200的第一代產(chǎn)品，不再做具體介紹。cpu22624輸入/16輸出共40個數(shù)字量i/o點(diǎn)；可連接7個擴(kuò)展模塊單元，最大可擴(kuò)展至248個數(shù)字量i/o點(diǎn)或35

11、路模擬量i/o；13kb的程序和數(shù)據(jù)存儲器空間；6個獨(dú)立的30 khz的高速計數(shù)器，2路獨(dú)立的20khz的高速脈沖輸出；具有pid控制器；2個rs485 通信/編程口；具有多點(diǎn)接口（multi point interface，mpi）通信協(xié)議；具有點(diǎn)對點(diǎn)（point to point interface，ppi）通信協(xié)議； 具有自由通過信口； i/o端子排可以很容易地整體拆除；2.2 控制要求1).如圖2-1所知，密碼鎖共有14個按鍵，分別為：啟動按鈕sb1，停止按鈕sb12，復(fù)位按鈕sb13，未知按鈕（主人知道它的作用）sb14，按鈕0，按鈕1，按鈕2，按鈕3，按鈕4，按鈕5，按鈕6，按鈕7

12、，按鈕8，按鈕9。 2)系統(tǒng)按啟動按鈕后，開鎖開始，順序依次輸入正確的密碼，否則累計3次輸入錯誤密碼不能再輸入，此時報警接通并開始報警，時間為1分鐘。按照順序和按壓次數(shù)依次按下6個按鈕完成輸入，然后執(zhí)行開鎖動作。 圖2-1密碼鎖面板圖3)當(dāng)不小心按錯密碼時可按一下復(fù)位按鈕重新輸入密碼，有3次機(jī)會，達(dá)到3次輸入錯誤的密碼報警器開始報警。4)因?yàn)椴荒茌斎腴_鎖密碼，只有當(dāng)主人來了以后按一下未知按鈕sb14，然后輸入解鎖密碼即可解除鎖定，然后再輸入正確的開鎖密碼即可開鎖。 2.3 plc的選型 隨著plc技術(shù)的發(fā)展，plc產(chǎn)品的種類也越來越多。不同型號的plc其結(jié)構(gòu)形式，指令系統(tǒng)，編程方式，價格等各有

13、不同使用的場合也各有側(cè)重。因此，合理選用plc，對于提高plc控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有重要意義。plc的選擇主要從機(jī)型。容量。輸入輸出模塊，電源模塊，特殊功能模塊，通信聯(lián)網(wǎng)能力等方面加以綜合考慮，即下面對于幾個重要的方面進(jìn)行選擇。 1i/o的確定 盲目選擇點(diǎn)數(shù)多的機(jī)型會造成浪費(fèi)。要先弄清楚控制系統(tǒng)的輸入輸出的總點(diǎn)數(shù)，再按實(shí)際所需總點(diǎn)數(shù)的15%-20%留出備用量為系統(tǒng)的改造等留出余 地，后確定所需plc的點(diǎn)數(shù)，i/o點(diǎn)數(shù)也是plc系統(tǒng)規(guī)模大小的量度：i/o口總數(shù)=（輸入總數(shù)+輸出總數(shù)）* 20%+輸入總數(shù)+輸出總數(shù) =212存儲容量的選擇 對于用戶存儲量只能作粗略的估算，在反對開關(guān)量進(jìn)行控制的系

14、統(tǒng)中，可以用輸入總點(diǎn)數(shù)乘10字/點(diǎn)+輸出總點(diǎn)數(shù)乘5字/點(diǎn)估算；最后，一般按估算容量的100%-200%留有裕量。對于缺乏經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計者來說，選擇容量時留有的裕量應(yīng)大些即計算如下：存儲容量=（輸入總數(shù)*5+輸出總數(shù)*8+計數(shù)器定時器總數(shù)*4）*(1+200%) =567字3i/o模塊的選擇 在plc控制系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)機(jī)械的控制；需要將對象的各種測量參數(shù)，按要求的方式送入plc。plc經(jīng)過計算處理后再將結(jié)果以數(shù)字量的形式輸出，此時也把該輸出變換為適合于生產(chǎn)機(jī)械控制的量。輸入模塊選擇是應(yīng)考慮：輸入信號的不同即數(shù)字量和模擬量；根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備模塊之間的距離進(jìn)行選擇，一般為，和直流電源。輸出模塊有繼電器

15、，晶體管和晶閘管種工作方式，繼電器輸出用于交直流負(fù)載，其特點(diǎn)帶負(fù)載能力強(qiáng)，但動作頻率與相應(yīng)慢。綜上所述輸入模塊為數(shù)字量輸入用直流電源供電，輸出模塊是選用繼電器輸出。綜上所述分析得，選擇的plc為西門子，類型為s7200系列cpu226,為整體式2.4 i/o口分配表 根據(jù)控制要求及2.2節(jié)輸入輸出得到選擇，確定輸出輸入的plc地址，及其各個按鍵的功能。如表（1）所示i/o口分配表。i/o口分配表功能器件plc的地址啟動sb1i0.0按鈕1sb2i0.2按鈕2sb3i0.3按鈕3sb4i0.4按鈕4sb5i0.5按鈕5sb6i0.6按鈕6sb7i0.7按鈕7sb8i1.0按鈕8sb9i1.1按鈕

16、9sb10i1.2按鈕0sb11i1.3停止按鈕sb12i0.1復(fù)位按鈕sb13i1.4未知按鈕#（解鎖）sb14i1.5開鎖線圈km1y1報警器kay2按鈕指示燈hly0表（1） i/o口分配表圖（2-1）plc外部接線圖2.5 plc外部接線圖根據(jù)控制要求及i/o口分配表畫出的plc外部接線圖。如圖（2-1）所示注：其中功能欄里面按鈕0按鈕9的功能是輸入密碼用的，它們分別代表數(shù)字鍵上的09。啟動按鈕起到輸入密碼的開始，必須先按一下啟動按鈕才能輸入密碼。停止按鈕的作用是當(dāng)開鎖程序結(jié)束的時候按一下停止按鈕，開鎖程序結(jié)束開鎖，起到省電的作用。復(fù)位按鈕的作用是當(dāng)輸入密碼錯誤的時候按一下復(fù)位按鈕，輸

17、入的密碼全部復(fù)位，然后重新輸入密碼，每復(fù)位一次的同時報警計數(shù)器技術(shù)次計數(shù)一次，累計計數(shù)三次后報警。其中有個未知按鈕#，它其實(shí)就是解鎖開關(guān)，只是在鍵盤上顯示的是#，未標(biāo)明它的作用，只有主人知道。開鎖線圈代表的是一個接觸器，它控制門閂上的開鎖電磁閥，當(dāng)開鎖線圈y1得電時電磁閥動作開鎖。報警器就是報警裝置。按鈕指示燈當(dāng)每按一下按鍵的時候指示燈都會亮一下，起到證明接通電路的作用。第三章 密碼鎖的軟件設(shè)計3.1梯形圖如圖3-1所示，程序梯形圖為：網(wǎng)絡(luò)1網(wǎng)絡(luò)2網(wǎng)絡(luò)3網(wǎng)絡(luò)4網(wǎng)絡(luò)5網(wǎng)絡(luò)6網(wǎng)絡(luò)7網(wǎng)絡(luò)8網(wǎng)絡(luò)9網(wǎng)絡(luò)10網(wǎng)絡(luò)11網(wǎng)絡(luò)12網(wǎng)絡(luò)13網(wǎng)絡(luò)14網(wǎng)絡(luò)15網(wǎng)絡(luò)16網(wǎng)絡(luò)17網(wǎng)絡(luò)18網(wǎng)絡(luò)19網(wǎng)絡(luò)20網(wǎng)絡(luò)21網(wǎng)絡(luò)22網(wǎng)

18、絡(luò)23網(wǎng)絡(luò)24網(wǎng)絡(luò)25圖3-1 程序梯形圖3.2 程序分析1.按下i0.0，m0.0觸點(diǎn)閉合，系統(tǒng)啟動可按動輸入鍵進(jìn)行輸入。接著按下i0.2 2次，c0k2計數(shù)繼電器計數(shù)2次。接通c0，c0計數(shù)器也將接通在下一位的觸點(diǎn)c0閉合。接著按下i0.3 3次，c1k3計數(shù)繼電器計數(shù)3次。接通c1，c1計數(shù)器工作,也將接通在下一位的觸點(diǎn)c1閉合。接著按下i0.4 4次，c2k4計數(shù)器計數(shù)4次，接通c2，c2計數(shù)器工作，也將接通在下一個的觸點(diǎn)c2閉合。接著按動i0.5 5次，c3k5計數(shù)器計數(shù)5次，接通c3，c3計數(shù)繼電器工作，也將接通在下一位的觸點(diǎn)c3閉合。接著按動i0.6 6次，c4k6計數(shù)器計數(shù)6次

19、，接通c4，c4計數(shù)繼電器工作，也將接通在下一位的觸點(diǎn)才c4閉合。接著按動i0.7 7次，c5k7計數(shù)器計數(shù)7次，接通c5，c5計數(shù)繼電器工作，也將接通在下一位的觸點(diǎn)才c5閉合。2.0-9這10個按鈕都并聯(lián)在指示燈上每按動一下這10個中的任意一個指示燈都會亮一下。這是為了讓開鎖的人知道按了一下是否接通了一次，起到確定按鈕是否接通的目的。3.如果按以上的程序輸入正確的密碼，則立即開鎖。若不是正確的密碼，沒輸入一次錯誤后必須要按一下復(fù)位按鈕才能重新輸入六位數(shù)的密碼，否則達(dá)不到開鎖的目的。在每復(fù)位一次的同時計數(shù)器c6就技術(shù)一次，直到累計錯誤的次數(shù)達(dá)到3次，此時報警器報警，報警時間為一分鐘。4.主人回

20、來后，按下解鎖開關(guān)i1.5，解鎖開始主人需按類似以上輸入密碼的形式輸入解鎖密碼。過程如下：i0.2按2次，接著i0.5按5次，接著i0.3按3次，接著i0.6按6次，接著i0.4按4次，接著i1.0按8次，接著i0.7按7下，此過程必須是按照這個順序按才能解鎖，否則無效。5.此程序可以任意修改密碼，改密碼的方法有兩種：一，把每個按鈕的位置交換一下，就可以達(dá)到了輸入順序的改變。例如i0.2和i0.3按鈕交換一下，就必須先按i0.3 2次后再按i0.2 3次才能繼續(xù)向下執(zhí)行，否則就會錯誤。二，可以改變計數(shù)器的計數(shù)次數(shù)，也可以達(dá)到修改密碼的目的。因?yàn)楸驹O(shè)計用的是計數(shù)器。假如來個小孩隨便瞎按，只要不按

21、到復(fù)位按鈕也有機(jī)會被打開，只要按的次數(shù)達(dá)到要求。所以在每個開鎖部分的計數(shù)器后面各加一個計數(shù)器，加的計數(shù)器設(shè)計的次數(shù)都比原來的多一次，一旦有人瞎按超過次數(shù)就接通計數(shù)器c6，累計三次就報警。這樣又起到密碼保護(hù)的作用，安全系數(shù)更高。3.3 程序設(shè)計的局限性和優(yōu)點(diǎn)本設(shè)計的特點(diǎn)就是程序太長，使用計數(shù)器的數(shù)量太多，在輸入密碼的時候設(shè)計的密碼位數(shù)比較多，很容易輸錯密碼。因?yàn)榭紤]到如果有小孩在那瞎按，只要按的次數(shù)超過設(shè)定的次數(shù)且不按到復(fù)位鍵，完全有可能把鎖打開，畢竟這種幾率還是有的。所以在開鎖程序里有分別另外加了六個計數(shù)器次數(shù)都比前一個多一次，但考慮到計數(shù)器用的太多，所以解鎖程序里就沒有再加更多計數(shù)器，這里就存在一定的局限性，也是需要改進(jìn)的地方。改密碼只能通過改動程序中計數(shù)器的技術(shù)次數(shù)來改密碼，不能通過按鍵改動密碼。不過本程序也有一定的優(yōu)點(diǎn)，例如密碼位數(shù)可以任意改動，密碼位數(shù)為六位以上，和一般概念上的密碼鎖有所不同，安全系數(shù)比較高。心得體會經(jīng)過這兩周的畢業(yè)設(shè)計讓我把大一至大三的所有的課程都復(fù)習(xí)了一遍，以前學(xué)習(xí)的時候?qū)W習(xí)三菱plc知識比較多一點(diǎn)，平時編程都是畫的三菱的梯形圖?，F(xiàn)在用西門子plc設(shè)計梯形圖。開始還有點(diǎn)不習(xí)慣，之所以用西門子plc做畢業(yè)設(shè)計也是因?yàn)橄雽ξ鏖T子plc有更